火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳澤華，郁永紅

（國(guó)電大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山753000）

火力發(fā)電廠冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳澤華，郁永紅

（國(guó)電大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山753000）

針對(duì)某火力發(fā)電廠擴(kuò)建工程汽輪機(jī)組冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，根據(jù)擴(kuò)建工程技術(shù)要求、現(xiàn)場(chǎng)總平面布置情況及工程概算，對(duì)冷端系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀分析后提出了冷端系統(tǒng)優(yōu)化方案。結(jié)果表明：優(yōu)化方案有效降低了基建初始投資及運(yùn)行費(fèi)用，優(yōu)化了機(jī)組運(yùn)行方式，保證了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

冷端系統(tǒng)；間冷塔；閉式循環(huán)水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)是電廠重要的輔助系統(tǒng)，主要作用是冷卻在汽輪機(jī)中做完功的乏汽，它關(guān)系到火力發(fā)電廠汽輪機(jī)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)組冷端系統(tǒng)所存在的日益突顯的問(wèn)題［1］是冷端系統(tǒng)運(yùn)行性能達(dá)不到設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重影響了機(jī)組出力和廠用電［2］。某火力發(fā)電廠擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)審查中發(fā)現(xiàn)冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在初始投資大、運(yùn)行費(fèi)用高、廠用電率高等問(wèn)題，從國(guó)家的節(jié)能減排政策和節(jié)約用水兩方面考慮［3］，對(duì)冷端系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化迫在眉睫。

1 現(xiàn)狀分析及需要解決的問(wèn)題

發(fā)電廠冷端系統(tǒng)是由汽輪機(jī)低壓缸的末級(jí)組、凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)供水系統(tǒng)及空氣抽出系統(tǒng)等組成。根據(jù)介質(zhì)的換熱過(guò)程，冷端系統(tǒng)可劃分為2臺(tái)換熱設(shè)備和2個(gè)子系統(tǒng)，它們是凝汽器設(shè)備和冷卻塔設(shè)備，凝結(jié)水系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)［4］。這些設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響可歸結(jié)為2類，一類是影響排汽壓力進(jìn)而影響機(jī)組的內(nèi)功；另一類是耗能設(shè)備如循環(huán)水泵、真空泵、凝結(jié)水泵等耗功影響廠用電［5］。

本次擴(kuò)建工程規(guī)模為2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，汽輪機(jī)采用超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽、間接空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)。為了找到冷端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，主要從間冷塔配置、空冷散熱器類型、間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、間冷循環(huán)水泵配置、閉式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行現(xiàn)狀分析。

1.1 現(xiàn)狀分析

擴(kuò)建工程2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組冷端系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案為：

（1）間接空冷系統(tǒng)間冷塔配置為每臺(tái)機(jī)組配置1座間冷塔（即1機(jī)1塔方案）。

（2）空冷散熱器類型未進(jìn)行優(yōu)選。

（3）間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)背壓為10 kPa/28 kPa，設(shè)計(jì)分別留有0.4 kPa/3.0 kPa裕量，設(shè)計(jì)塔高185 m，塔底直徑157 m，冷卻面積186.85萬(wàn)m2。額定（TRL）工況下，進(jìn)塔循環(huán)水量2×37 500 t/h、進(jìn)塔水溫62℃，在環(huán)境溫度32.2℃時(shí)，間冷塔出水水溫≤51.4℃。TMCR工況下，進(jìn)塔循環(huán)水量2×37 500 t/h、進(jìn)塔水溫41.8℃，在環(huán)境溫度14.5℃時(shí)，間冷塔出水水溫≤31.5℃。

（4）間冷循環(huán)水泵的配置方式為1臺(tái)機(jī)組3臺(tái)50%的定速循環(huán)水泵，循環(huán)水泵房位于間冷塔外。

（5）閉式循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式為機(jī)房?jī)?nèi)閉式冷卻水通過(guò)輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)冷卻，輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)的換熱過(guò)程主要在機(jī)力通風(fēng)冷卻塔內(nèi)完成。2臺(tái)機(jī)組配3段機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，開(kāi)式輔機(jī)冷卻水泵配置為2臺(tái)機(jī)組共3臺(tái)（2運(yùn)1備），每臺(tái)泵軸功率為315 kW。

1.2 需要解決的問(wèn)題

汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)［6］作為火力發(fā)電系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，其規(guī)模大小的選擇對(duì)工程效益影響較大，冷端系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)冷端設(shè)備各組合方案的經(jīng)濟(jì)比較，確定經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備型式和配置等設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)合擴(kuò)建工程技術(shù)要求、現(xiàn)場(chǎng)總平面布置情況及工程概算，經(jīng)過(guò)對(duì)冷端系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中存在的需要解決的問(wèn)題如下：

（1）1機(jī)1塔方案有年耗電量較小、冬季不易結(jié)凍等優(yōu)點(diǎn)，但也存在占地面積較大、初期總投資費(fèi)用高、年總費(fèi)用高等問(wèn)題，需與2機(jī)1塔方案進(jìn)行綜合比較。

（2）從常用的3種間接空冷散熱器管型中優(yōu)選散熱器管型。間接空冷機(jī)組［7］是通過(guò)翅片管散熱器冷卻受熱后的循環(huán)水，將冷卻汽輪機(jī)排汽熱量的中間介質(zhì)——循環(huán)冷卻水送入由翅片管束組成的冷卻器內(nèi)，由橫掠翅片管外側(cè)的空氣進(jìn)行對(duì)流冷卻。空冷散熱器作為主要元件在整個(gè)傳熱過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，并且其造價(jià)也在間冷系統(tǒng)總造價(jià)中占據(jù)相當(dāng)比重，需對(duì)空冷散熱器類型進(jìn)行優(yōu)選。

（3）在火力發(fā)電廠中，空冷系統(tǒng)是與汽輪機(jī)、鍋爐并列的造價(jià)較高的重要系統(tǒng)，投資較大，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選取直接關(guān)系到電廠的安全滿發(fā)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，影響工程獲得的效益。間接空冷系統(tǒng)原參數(shù)設(shè)計(jì)裕量較大，在目前機(jī)組利用小時(shí)數(shù)日趨下降的形勢(shì)下，有必要對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化選取。

（4）循環(huán)水泵存在的主要問(wèn)題為定速循環(huán)水泵雖然初投資較少，但水泵運(yùn)行軸功率較高，年運(yùn)行費(fèi)用高；由于擴(kuò)建場(chǎng)地位置狹小，循環(huán)水泵房布置困難，需對(duì)循環(huán)水泵的配置數(shù)量、型式進(jìn)行優(yōu)化，減少運(yùn)行費(fèi)用。

（5）機(jī)力通風(fēng)冷卻塔［8］存在的主要問(wèn)題為運(yùn)行時(shí)水損失較大。冬季運(yùn)行時(shí)，塔的某些部位會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進(jìn)風(fēng)量減小，影響塔的冷卻效果，增加結(jié)構(gòu)的荷重，降低結(jié)構(gòu)使用壽命，影響正常運(yùn)行，需對(duì)冬季工況下閉式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化，降低水耗和減少結(jié)冰。

2 優(yōu)化方案

2.1 間冷塔配置方案優(yōu)化

對(duì)2臺(tái)機(jī)組配置1座間冷塔（即兩機(jī)1塔方案）和每臺(tái)機(jī)組配置1座間冷塔（即1機(jī)1塔方案）從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和間冷塔布置等方面進(jìn)行比較、研究，在間冷塔出水溫度相同情況下，即汽輪機(jī)排汽背壓相同的情況下，采用2機(jī)1塔的土建初投資要高于1機(jī)1塔方案的初投資，但2機(jī)1塔散熱器、水泵等設(shè)備及其管道系統(tǒng)的初投資要低于1機(jī)1塔方案。綜合比較來(lái)看，兩機(jī)一塔方案年總費(fèi)用要小于1機(jī)1塔方案［9］。

為了降低工程初始投資，確定采用2臺(tái)機(jī)組配置1座間冷塔方案，其中小機(jī)排汽排入對(duì)應(yīng)的主機(jī)空冷系統(tǒng)統(tǒng)一冷卻。

2.2 優(yōu)選間接空冷散熱器管型

對(duì)間接空冷機(jī)組的散熱器采用鋁制6排管、鋁制4排管和鋼制4排管3種間接空冷系統(tǒng)進(jìn)行了管型優(yōu)化比選。

不同管型配置的塔形一般比較接近，占地面積差距不大，但各種管型的總散熱面積差異較大，達(dá)到同等冷卻能力的條件下，采用鋼制散熱器（水平布置）總散熱面積較高，鋁制散熱器6排管的總散熱面積次之，鋁制散熱器4排管總散熱面積最小。鋁制散熱器4排管總散熱面較小，這是由于新型4排管散熱器通過(guò)優(yōu)化翅片間距，大大減小了氣側(cè)阻力，迎面風(fēng)速大幅提高，換熱能力大幅增加所致。另外，通過(guò)優(yōu)化冷卻管束直徑和數(shù)目，鋁制4排管的水側(cè)阻力比6排管大大降低。

因此，結(jié)合工程實(shí)際情況和近年來(lái)國(guó)內(nèi)間接空冷系統(tǒng)招標(biāo)時(shí)投標(biāo)方推薦的散熱器管型情況，采用水側(cè)阻力和氣側(cè)阻力均較小，換熱性能優(yōu)良，同時(shí)防凍性能較好的鋁制4排管散熱器。

2.3 間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

考慮到電力市場(chǎng)以后的長(zhǎng)期形勢(shì)，機(jī)組利用小時(shí)數(shù)持續(xù)偏低，為了降低基建投資，對(duì)間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并形成了2種可行性優(yōu)化方案。

第1種方案：減少背壓設(shè)計(jì)裕量，背壓設(shè)計(jì)裕量按0.2 kPa/3.0 kPa考慮，進(jìn)水溫度為42.2℃，出水溫度為32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直徑不變，冷卻面積不變。經(jīng)核算，工程造價(jià)降低約160萬(wàn)元。

第2種方案：設(shè)計(jì)背壓不留任何裕量，進(jìn)水溫度為42.2℃，出水溫度為32℃，塔高由185 m降至178 m，塔直徑由157 m降至152 m，冷卻面積由186.85萬(wàn)m2降至181萬(wàn)m2。經(jīng)核算，塔體工程量減少1 100 m3，環(huán)基減少300 m3，土建造價(jià)降低約250萬(wàn)元～300萬(wàn)元；空冷散熱器系統(tǒng)設(shè)備造價(jià)降低約145萬(wàn)元，總造價(jià)降低約395萬(wàn)元～445萬(wàn)元。

由于極端天氣出現(xiàn)的可能性很低且機(jī)組投產(chǎn)后可能很少能滿負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)計(jì)裕量可適當(dāng)減少，基于機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)比較，最終采用方案1。方案2雖然節(jié)省費(fèi)用較多，但取消了設(shè)計(jì)裕量，在常年平均環(huán)境溫度14.5℃時(shí)，無(wú)法保證機(jī)組帶滿負(fù)荷。

2.4 循環(huán)水泵配置優(yōu)化

循環(huán)水泵是電廠的主要輔機(jī)之一，也是電廠的能耗大戶，循環(huán)水泵配置［10］的合適與否對(duì)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著十分重要的作用。

優(yōu)化方案：每臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)50%雙速循環(huán)水泵，負(fù)荷較高時(shí)水泵可高速運(yùn)行，負(fù)荷較低時(shí)水泵可低速運(yùn)行，節(jié)能效果比定速循環(huán)水泵顯著。正常情況下，每臺(tái)機(jī)組的2臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)冬季或汽機(jī)負(fù)荷低時(shí)，每臺(tái)機(jī)只運(yùn)行1臺(tái)循環(huán)水泵，或2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行3臺(tái)水泵，循環(huán)水泵安裝在間冷塔內(nèi)，不設(shè)置循環(huán)水泵房。

2.5 閉式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式優(yōu)化

冬季間冷塔換熱裕量較大，裕量能夠滿足機(jī)房?jī)?nèi)閉式水的冷卻。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冬季采用大閉式方式運(yùn)行。

（1）閉式冷卻水進(jìn)、回水母管接入間冷循環(huán)水進(jìn)、回水母管。

（2）閉式冷卻水進(jìn)、回水母管與間冷循環(huán)水進(jìn)、回水母管中間分別加裝隔離門。

（3）閉式冷卻水接入間冷循環(huán)水系統(tǒng)后，在冬季可將輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)（機(jī)力通風(fēng)冷卻塔、輔機(jī)冷卻水泵、閉式換熱器）停運(yùn)。

3 效果評(píng)價(jià)

（1）冷端系統(tǒng)的間冷塔、循環(huán)水泵配置方案得到優(yōu)化后，間冷塔及間冷循環(huán)水泵占地面積減少，擴(kuò)建工程總平面布置更加靈活。

（2）間接空冷散熱器管型優(yōu)選為性能更好的鋁制4排管散熱器。

（3）優(yōu)化方案使冷端系統(tǒng)中的閉式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式更加靈活、安全，且冬季節(jié)約大量水量及電量。

（4）優(yōu)化方案有效減少了工程基建投資，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)優(yōu)化后共減少工程基建投資3 178萬(wàn)元，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約584萬(wàn)元。

①間冷塔2機(jī)1塔的配置方案較1機(jī)1塔可有效降低占地面積及工程初投資，間冷塔占地面積降低約7 498 m2，工程初投資減少約2 508萬(wàn)元，年總費(fèi)用降低約288萬(wàn)元。

②間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化后間冷塔造價(jià)降低約160萬(wàn)元。

③循環(huán)水泵配置優(yōu)化后減少了2臺(tái)循環(huán)水泵（186萬(wàn)元）；循環(huán)水泵安裝在間冷塔內(nèi)，不設(shè)置循環(huán)水泵房，造價(jià)降低324萬(wàn)元。

④閉式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式優(yōu)化后冬季既節(jié)約水量，又節(jié)省電量。

3.1 冬季機(jī)力通風(fēng)冷卻塔停運(yùn)節(jié)水效益明顯

表1為冬季機(jī)力通風(fēng)冷卻塔優(yōu)化前后各項(xiàng)損失水量統(tǒng)計(jì)。由表1可以看出，優(yōu)化后冬季機(jī)力通風(fēng)冷卻塔停運(yùn)（約100天）可減少水損失132 m3/h，1年節(jié)省水量=132×24×100=316 800（m3）；

工業(yè)水水價(jià)按照8.9元/t計(jì)算，1年節(jié)省費(fèi)用約316 800×8.9=281.95（萬(wàn)元）。

表1 機(jī)力通風(fēng)冷卻塔水損失

3.2 冬季開(kāi)式輔機(jī)冷卻水泵停運(yùn)節(jié)電效益明顯

優(yōu)化后，冬季閉式水系統(tǒng)采用大閉式方式運(yùn)行，開(kāi)式輔機(jī)冷卻水泵將停運(yùn)（約100天），可節(jié)省廠用電量315 kW×24 h×100天=756 000（kW·h），電價(jià)按照0.18元/（kW·h）（相當(dāng)于成本電價(jià)）計(jì)算，節(jié)省費(fèi)用約756 000×0.18=13.6（萬(wàn)元）。

4 結(jié)論

（1）冷端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使機(jī)組基建期工程初始投資大幅度降低，機(jī)組投產(chǎn)后運(yùn)行費(fèi)用降低，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能意義重大。

（2）冷端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，使系統(tǒng)運(yùn)行方式更加靈活、安全，汽輪發(fā)電機(jī)組性能參數(shù)得到提高。

（3）此次冷端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化效果顯著，為同類型工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

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Optimization of cold-end system design for coal-fired power plant

CHEN Zehua,YU Yonghong
(Guodian Dawukou Thermal Power Co.,Ltd.,Shizuishan Ningxia 753000,China)

Aiming at the existent problems of steam turbine unit cold-end system design in extension project of a coal-fired power plant,according to the technique requirements of the extension project,site general layout and the project budget,analyzes the status quo of the cold-end system and puts forward the optimization scheme.The result shows that this optimization scheme can reduce effectively the basic construction initial investment and the operation cost,can optimize the operation mode of the units,can ensure the safe and stable operation of the units.

cold-end system;indirect cooling tower;closed circulating water system;design optimization

TK264.16

B

1672-3642（2017）04-0067-04

有效訪問(wèn)地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.013

2017-05-28

陳澤華（1973），男，工程師，主要從事火電廠工程計(jì)劃管理工作。